RU1779694C - Способ комплексного поверхностного упрочнени деталей - Google Patents

Abstract

Использование: способ примен етс  дл  повышени  стойкости стальных деталей и инструмента. Сущность изобретени : провод т поверхностную закалку токами высокой частоты, отпуск при температуре 280-320 С и обработку высококонцентрированным источником нагрева. 2 табл., 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к машиностроительной и металлургической промышленности и может примен тьс  дл  повышени  стойкости деталей оборудовани  из конструкционных сталей и металлообрабатывающего инструмента.

Известен способ комплексного поверхностного упрочнени , включающий предварительное азотирование и последующую поверхностную обработку ВКИН - высококонцентрированным источником нагрева (лазерным лучом).

К недостаткам данного способа относ тс  высока  хрупкость композитного упрочнени  сло , состо щего из отдельных азотированного сло  и сло  лазерного воздействи , а также низка  работоспособность ввиду малой глубины упрочненного сло . Указанные недостатки особенно про вл ютс  при упрочнении т желонагруженных деталей оборудовани  со значительным допустимым пределом износа (до 1-2 мм),

Известен способ комплексного поверхностного упрочнени , включающий цементацию и поверхностное упрочнение ВКИН (лазерным лучом). При данном способе возможно увеличение глубины композитного упрочнени  сло  за счет увеличени  глубины цементованного сло .

Однако цементованный слой со структурой доэвтектического, эвтектического или заэвтектического состава также обладает высокой хрупкостью.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату  вл етс  способ комплексного упрочнени , включающий объемную закалку, промежуточный отпуск при температуре 300-500°С и последующую обработку ВКИН. В случае применени  предварительной объемной закалки повышаетс  прочность всей сердцевины детали, а окончательна  обработки ВКИН способствует дополнительному повышению износостойкости . Однако при этом снижаетс  пластичность и трещиностойкость комплексно-упрочненной детали из-за высокой хрупкости поверхностного сло  обработки

VJ N| Ю О- ЧЭ

ВКИН и внутренней закаленной сердцевины .

Целью изобретени   вл етс  повышение работоспособности упрочненных деталей за счет повышени  трещиностойкости путем торможени  эксплуатационных трещин .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что способ комплексного поверхностного упрочнени  включает поверхностную закалку токами высокой частоты (ТВЧ) и обработку ВКИН.

Новым  вл етс  то, что перед обработкой ВКИН выполн ют промежуточный объемный отпуск при 280-320°С.

Строение композитного упрочнени  сло  при обработке по предлагаемому способу показано на чертеже.

Отпуск закаленной стали после закалки ТВЧ приводит к получению равновесной структуры благодар  выделению углерода из мартенсита закалки и остаточного аусте- нита, снижению внутренних микронапр жений , и в результате этого, повышению пластичности и трещиностойкости. Выбор интервала изменени  температуры отпуска в пределах 280-320°С обусловлен, во-первых , необходимостью реализации после объемного отпуска в слое закалки ТВЧ I и II превращений при отпуске с получением фазового состава стали: отпущенный малоуглеродистый мартенсит (% С 0,1) с кубической решеткой + пластинчатый цементит (така  структура стали наиболее благопри тна с точки зрени  повышени  пластичности и трещиностойкости при сохранении на достигнутом высоком уровне прочности и твердости), и во-вторых, необходимостью реализации во внутреннем опущенном слое (фиг.1), возникающем при последующей обработке ВКИН III и IV превращений при отпуске с образованием структуры сорбита с наиболее высокой пластичностью.

Как установлено ранее дл  случа  обработки ВКИН объемно-закаленных сталей, образование зоны отпуска под зоной воздействи  ВКИН обусловлено распространением тепла вглубь материала и нагревом до температуры ниже Aic. Наличие зоны отпуска с повышенной пластичностью вызывает повышение трещиностойкости комплексно-упрочненного материала, а также торможение эксплуатационных трещин , распростран ющихс  от поверхности из твердого сло  воздействи  ВКИН при переходе в более м гкий и пластичный отпущенный слой. Эффективность положительного вли ни  отпущенного сло  определ етс  полнотой протекани  в нем превращений при отпуске сталей, особенно

III и IV превращений, Однако высока  скорость нагрева при обработке ВКИН (10 -10 С/с) вызывает смещение температур начала всех превращений вверх по температурной шкале, обусловленное самим характером превращений как диффузионных .

При упрочнении по предлагаемому способу (закалка ТВЧ + объемный отпуск при

280-320°С + обработка ВКИН) во внутреннем отпущенном слое (фиг.1) превращени  происход т в две стадии:

I и II превращени  при объемном отпуске ранее закаленного металла от нагрева

ТВЧ;

III и IV превращени  в отпущенном слое при нагреве ВКИН.

Выбор указанного интервала изменени  температуры отпуска обусловлен следующим .

Повышение температуры промежуточного отпуска выше 320°С вызовет при объемном отпуске протекани  в слое закалки ТВЧ (фиг.1) ill и IV превращений, и в результате

этого, образование здесь структуры тро- остита или сорбита с пониженной прочностью . С учетом значительной толщины этого сло  последний факт может вызвать снижение общей конструктивной прочности комплексно-упрочненной детали. Снижение температуры промежуточного отпуска ниже 280°С не обеспечит протекание во внутреннем отпущенное слое (фиг.1) при последующей обработке ВКИН с высокими

скорост ми нагрева III и IV превращений, что может стать причиной низкой пластичности и трещиностойкости комплексно-упрочненной детали,

Предложенна  совокупность признаков

по предлагаемому способу способствует повышению долговечности детали за счет повышени  их прочности, пластичности, трещиностойкости, и кроме того, по влению нового технического свойства: способности к торможению эксплуатационных трещин, обусловленной взаимосв зью нескольких признаков: закалки ТВЧ, промежуточного отпуска при строго определенной температуре и обработки высококонцентрированным источником нагрева, и отличает предложенное решение как от прототипа, так и от аналогов.

Следовательно, данное техническое решение соответствует критери м: новизна,

положительный эффект и существенные отличи .

Способ по сн етс  иллюстрацией, где показаны слой закалки ТВЧ (поз.З) при обработке ТВЧ, отпущенный слой и слой воздействи  ВКИН (поз. 1.2) при последующей обработке ВКИН.

Способ осуществл етс  следующим образом .

Упрочн емые детали плоской, цилинд- рической или сложной формы подвергают закалке ТВЧ в индукторе с последующим охлаждением в воде или масле. Затем осуществл ют промежуточный объемный (печной ) отпуск при 280-320°С (конкретное значение температуры задаетс  технологическими услови ми дл  каждой марки стали) с охлаждением с печью или на воздухе. Окончательна  операци  - обработка рабочей поверхности детали ВКИН.

Пример конкретного выполнени .

Цилиндрические образцы диаметром 35 мм и длиной 200 мм из сталей У8 и 75х2МФ подвергали комплексному упрочнению по двум способам: способу-прототи- пу (закалка в печи + отпуск при 300°С, 400°С, 500°С -I- поверхностное упрочнение ВКИН плазменной струей) и предлагаемому способу (закалка ТВЧ + объемный отпуск при температуре 200°С, 280°С, 300°С, 320°С, 400°С + поверхностное упрочнение ВКИН плазменной струей).

Режим закалки в печи назначалс  следующим: температура нагрева 820°С, выдержка 1 ч, охлаждение в масле.

Режим закалки ТВЧ назначалс  следующим: мощность машинного генератора 100.кВт: частота тока 2,5 кГц. зазор между деталью и индуктором 2 мм: скорость вращени  детали в индукторе 0,1 об/мин; ток генератора 180 А: напр жение 380 В: температура нагрева 900°С.

Объемный отпуск образцов осуществл лс  в лабораторной печи с контролем температуры нагрева с погрешностью ± 5°С. Врем  выдержки образцов в печи при заданной температуре отпуска 1 ч. Охлаждение - замедленное с печью.

Режимы плазменной обработки назначались следующими: ток обработки 400А; линейна  скорость перемещени  плазмотрона 0,01 м/с, расход плазмообразующего газа (аргона) 2,0 м3/ч: расход охлаждающей воды 2,0 м /ч; диаметр отверсти  сопла плазмотрона с секционированной меж- электродной вставкой 7 мм. рассто ние от среза сопла до обрабатываемой поверхности 5 мм.

Из упрочненных по двум способам об- разцов вырезались образцы стандартных размеров дл  механических испытаний:

п тикратные образцы 05 мм и рачет-: ной длиной 25 мм дл  определени  прочностных характеристик: предела текучести оо.2 и предела прочности ггв, s также пластических характеристика относительного удлинени  д и относительного сужений t/ no ГОСТ 1497-73;

призматические образцы 10x10x55 мм дл  определени  ударной в зкости КС по ГОСТ 9454-78 и коэффициента интенсивнод сти напр жени  К|С по PD - 50-344-82: дл 

инициировани  разрушени  по методике в зоне плазменного упрочнени  выполн лс  электроэрозионный надрез глубиной 0,5 мм с радиусом в вершине 0,1 мм: испытани  проводились на ма тниковом копре МК-30 с осциллографированием процесса разрушени ;

кольцевые образцы с наружным диаметром 35 мм, внутренним диаметром 16 мм и толщиной 10 мм дл  определени  износостойкости по методу трени  металл по металлу с абразивной прослойкой на машине МИ-1М, контроле в виде колодок изготавливались из термоупрочненной стали Р6М5, в качестве эталонов испытывались образцы аналогичных размеров из тех же сталей в объёмно-закаленном состо нии (закалка при 820°С в печи с охлаждением в масле), износостойкость оценивалась по коэффициенту износостойкости

К,

ДРэ APV

где Д Рэ, А Ру - потер  веса при 4-х часовом испытании соответственно образцов-эталонов и образцов, упрочненных по указанным способам;

замеры твердости рабочей упрочненной поверхности образцов.

Результаты испытаний приведены в табл. 1.

По данным таблицы видно, что упрочнение по предлагаемому способу по сравнению со способом-прототипом обеспечивает повышение прочностных характеристик в 1,3-1,5 раза, пластических характеристик в 1,4-2,0 раза, ударной в зкости в 1,3-1,4 раза, трещиностойкости в 1,3-1,5 раза при сохранении других эксплуатационных характеристик (твердости рабочей поверхности, износостойкости) на достигнутом высоком уровне. При температуре промежуточного объемного отпуска, меньшей предлагаемого интервала изменени  (200°С), снижаютс  пластические характеристики и трещино- стойкость, а при большей температуре (400°С) снижаютс  прочностные характеристики .

Нар ду с вышеуказанными количественными параметрами предлагаемый способ комплексного упрочнени  обеспечивает и более благопри тные качественные характеристики разрушени .

Установлено, что при комплексном упрочнении с промежуточным объемным отпуском при температуре 280-320°С реализуетс  торможение трещины по механизму искривлени  траектории при переходе из твердой зоны плазменного воздействи  в более м гкую зону отпуска. Данный факт обуславливает повышение

а

трещиностойкости (КС и Kic). Повышению прочностных и пластических характеристик ((JQ2 оь; 3; ) способствует реализаци  в самой зоне отпуска высокоэнергоемкого микров зкого разрушени  при предлагаемом способе.

С целью реализации полученного при предлагаемом способе нового свойства - торможени  трещин дополнительно были проведены динамические испытани  описан- ных выше образцов с различной энергией разрушени  и регистрацией металлографическим способом длины трещины (табл. 2).

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ комплексного поверхностного упрочнени  деталей и инструмента, включающий закалку, отпуск и обработку высо- коконцентрированным источником

   нагрева, отличающийс  тем, что, с целью повышени  работоспособности деталей путем торможени  эксплуатационных трещин, закалку провод т токами высокой частоты, а отпуск осуществл ют

   при 280-320°С.

   Таблица 1

   Таблица 2